El carburo de silicio es uno de los materiales más duros y resistentes de la Tierra, conocido por su solidez, conductividad térmica y resistencia a los ácidos, cualidades que lo hacen idóneo para aplicaciones en todos los sectores.
El SiC es un mineral de origen natural conocido como moissanita; sin embargo, desde 1893 se produce en masa en forma de polvo y cristal para su uso como abrasivo y para otras aplicaciones industriales y como sustrato de semiconductores.
Características
El carburo de silicio posee cualidades únicas que lo convierten en uno de los materiales industriales más ventajosos. Entre los materiales cerámicos avanzados, destaca su dureza y ligereza, su excelente conductividad térmica y sus bajos índices de expansión térmica, así como su facilidad para soportar la erosión y la abrasión, cualidades que lo hacen adecuado para su uso en sistemas de revestimiento de molinos, componentes de ciclones, boquillas de pulverización y extrusoras.
En estado puro, el carburo de silicio es un aislante eléctrico. Sin embargo, añadiendo impurezas controladas, el carburo de silicio puede comportarse como un dispositivo semiconductor: el aluminio, el boro y el galio pueden crear dispositivos de tipo P, mientras que el nitrógeno y el fósforo dan lugar a dispositivos de tipo N.
Los transistores de SiC presentan una mayor tensión de ruptura y una menor resistencia al encendido que sus homólogos de silicio, lo que permite frecuencias de conmutación más altas y sistemas electrónicos de potencia más pequeños. Los inversores de carga de vehículos eléctricos pueden utilizar SiC para reducir el tamaño y el peso de sus sistemas de gestión de potencia y aumentar la autonomía.
Propiedades
El carburo de silicio, más comúnmente conocido como SiC, es un compuesto cristalino sintético excepcionalmente duro compuesto de silicio y carbono que es químicamente inerte y resistente a la corrosión (aunque susceptible al ataque de los ácidos clorhídrico, sulfúrico u otros).
El carburo de silicio posee muchas propiedades ventajosas que lo convierten en un material valioso, como su gran resistencia y rigidez, sus bajos índices de expansión térmica, su resistencia a la oxidación y la abrasión, así como el mantenimiento de su resistencia elástica incluso a altas temperaturas. Gracias a esta combinación de propiedades cerámicas y semiconductoras, es un material excelente para la cerámica estructural y los abrasivos.
El SiC puro es un cristal incoloro. Sin embargo, añadiendo diferentes cantidades de impurezas, sus propiedades eléctricas pueden alterarse hasta convertirse en las de un semiconductor. Las estructuras estratificadas dentro de los cristales producen diferentes tipos de carburo de silicio con estructuras cristalinas únicas; la más frecuente es la estructura cristalina hexagonal 6H-SiC, adecuada para la electrónica de potencia debido a su amplio valor de banda prohibida de 1,12 eV, según Wolfspeed.
Aplicaciones
Las propiedades físicas y electrónicas únicas del carburo de silicio están revolucionando la electrónica de potencia. Los nuevos dispositivos fabricados con SiC ofrecen mayor fiabilidad, menores pérdidas de potencia, tiempos de conmutación más rápidos y mayor eficiencia energética que sus predecesores.
El carburo de silicio puro se comporta como un aislante eléctrico; sin embargo, el dopaje con impurezas controladas (denominadas dopantes ) le permite conducir la electricidad en determinadas circunstancias. El dopaje con aluminio, boro y galio produce semiconductores de tipo P; el dopaje con fósforo y nitrógeno crea semiconductores de tipo N.
La estructura atómica del carburo de silicio se asemeja a la de los átomos de carbono y silicio unidos covalentemente entre sí en dos tetraedros de coordinación primaria, con cuatro átomos de carbono y cuatro de silicio unidos covalentemente entre sí para formar dos tetraedros de coordinación primaria, cada uno de ellos compuesto por cuatro átomos de carbono y cuatro de silicio unidos covalentemente entre sí. Puede desarrollarse en diversas formas; normalmente se muele en polvo fino y luego se mezcla con auxiliares de sinterización sin óxidos, como aglutinantes de organosilicio, para formar una mezcla pastosa que luego puede moldearse mediante procesos de prensado isostático en frío o extrusión; se utiliza ampliamente en herramientas de corte, materiales estructurales (chalecos antibalas/blindajes compuestos), fabricación de piezas de automóviles, producción de material para espejos, así como material para espejos de telescopios astronómicos.
Fabricación
El carburo de silicio es uno de los materiales cerámicos avanzados más duros y resistentes, y ofrece bajos índices de expansión térmica, resistencia a los ácidos, resistencia a la erosión y excelente resistencia al desgaste.
La producción de carburo de silicio implica diversas reacciones químicas, pero lo más habitual es emplear el Proceso Acheson. Consiste en calentar una mezcla de sílice y coque a altas temperaturas hasta que sus componentes químicos reaccionan químicamente y forman cristales.
A continuación, estos cristales se muelen hasta obtener un polvo fino y se combinan con coadyuvantes de sinterización sin óxidos, como los aglutinantes organosilícicos, para crear una pasta que se compacta y moldea mediante extrusión o prensado isostático en frío.
El carburo de silicio es un material indispensable en la lapidaria moderna, gracias a su dureza y durabilidad. Su versatilidad ha hecho que se utilice para todo, desde revestimientos de hornos, herramientas de corte y muelas abrasivas, piezas resistentes al desgaste en bombas y motores de cohetes, componentes electrónicos de potencia de baja resistencia, así como obleas más finas gracias a una menor tensión de ruptura.
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